新计算机架构，黄金时代爆发！两位图灵奖得主最新力作
2017年3月，计算机架构领域两位巨星级人物David Patterson与John Hennessy，那时，Hennessy最知名的title是斯坦福大学前任校长，而Patterson则是伯克利的退休教授。他们1990年合著出版的《计算机体系架构：量化研究方法》被誉为领域“体系结构圣经”，培养和指导了无数处理器设计人才。
当时，由GPU推动的深度学习浪潮已然兴起，谷歌推出了TPU，AI芯片创业公司林立，芯片市场群雄并起，连做软件的人都能感到从硬件行业迸发出的热气。很快，一年后，已经出任谷歌母公司Alphabet董事长的Hennessy和已经加入谷歌TPU团队的Patterson又站在了一起，这次是为了纪念他们共同荣获2017年的图灵奖。
他们的图灵奖演讲题目叫做《计算机体系结构的新黄金时代》(A New Golden Age for computer Architecture)，两人回顾了自20世纪60年代以来计算机体系结构发展历史，并展望人工智能为计算机架构设计所带来的新的挑战和机遇。
在那次的图灵演讲中，DavidPatterson与John Hennessy还提到了软件设计也能为计算机硬件架构带来灵感，改善软硬件接口能为架构创新带来机遇。2019年2月出版的Communicationsof the ACM，刊登了两人的署名文章“A New Golden Age for computerArchitecture”，在图灵演讲的基础之上进一步完善思想，并用文字将他们的洞见更加清晰地呈现。
PC的发展过程
集成电路，CISC，432,8086，IBM PC。当计算机开始使用集成电路时，摩尔定律意味着控制存储可能变得更大。更大的内存可以运行更复杂的ISA。1977年，数字设备公司（DigitalEquipment）发布的VAX-11/780机型的控制存储大小达到5120 word×96 bit，而其之前的型号仅为256 word×56 bit。
一些制造商选择让选定的客户添加名为“可写控制存储”（WCS）的自定义功能来进行微程序设计。最著名WCS计算机是Alto，这是图灵奖获得者Chuck Thacker和Butler Lampson以及他们的同事们于1973年为Xerox Palo Alto研究中心设计制造的。它是第一台个人计算机，使用第一台位映射显示器和第一个以太局域网。用于支持新显示器和网络的设备控制器是存储在4096 word×32 bit WCS中的微程序。
微处理器在20世纪70年代仍处于8位时代（如英特尔的8080处理器），主要采用汇编语言编程。各家企业的设计师会不断加入新的指令来超越竞争对手，通过汇编语言展示他们的优势。
戈登·摩尔认为英特尔的下一代指令集架构将能够延续英特尔的生命，他最初推出8800处理器是一个雄心勃勃的计算机架构项目，适用于任何时代，它具有32位寻址能力、面向对象的体系结构，可变位的长指令，以及用当时新的编程语言Ada编写的自己的操作系统。
这个雄心勃勃的项目迟迟不能推出，这迫使英特尔紧急改变计划，于1979年推出一款16位微处理器。英特尔为新团队提供了52周的时间来开发新的“8086”指令集，并设计和构建芯片。由于时间紧迫，团队最终按计划完成了8086的设计，但产品发布后几乎没有大张旗鼓的宣传。
英特尔很走运，当时IBM正在开发一款旨在与Apple II竞争的个人计算机，正需要16位微处理器。 IBM一度对摩托罗拉的68000型感兴趣，它拥有类似于IBM 360的指令集架构，但与IBM激进的方案相比显得落后。IBM转而使用英特尔8086的8位总线版本处理器。IBM于1981年8月12日宣布推出该机型，预计到1986年能够卖出25万台，结果最终在全球卖出了1亿台，未来前景一片光明。
英特尔的8800项目更名为iAPX-432，最终于1981年发布，但它需要多个芯片，并且存在严重的性能问题。该项目在1986年终止，此前一年，英特尔将寄存器从16位扩展到32位，在80386芯片中扩展了8086指令集架构。摩尔的预测是正确的，这个指令集确实和英特尔一直存续下来，但市场却选择了紧急赶工的产品8086，而不是英特尔寄予厚望的iAPX-432，这对摩托罗拉68000和iAPX-432的架构师来讲，都是个现实的教训，市场永远是没有耐心的。
从复杂指令集计算机到精简指令集计算机。20世纪80年代初期，对使用大型控制存储中的大型微程序的复杂指令集计算机（CISC）的相关问题进行过几项调查。Unix的广泛应用，证明连操作系统都可以使用高级语言的关键问题就是：“编译器会产生什么指令？”而不是“程序员使用什么汇编语言？”软硬件交互手段的显著进步，为架构创新创造了机会。
图灵奖获得者John Cocke和他的同事为小型计算机开发了更简单的指令集架构和编译器。作为一项实验，他们重新定位了研究编译器，只使用简单的寄存器-寄存器操作和IBM 360指令集加载存储数据传输，避免了使用更复杂的指令。他们发现，使用简单子集的程序运行速度提高了三倍。 Emer和Clark发现，20％的VAX指令需要60％的微代码，仅占执行时间的0.2％。Patterson发现，如果微处理器制造商要遵循大型计算机的CISC指令集设计，就需要一种方法来修复微代码错误。
Patterson就此问题写了一篇论文，但被《计算机》期刊拒稿。审稿人认为，构建具有ISA的微处理器是一个糟糕的想法，因为这需要在现场进行修复。即复杂度较低的指令集架构，以及使用精简指令集的计算机（RISC）。 以及由汇编语言向高级语言的转变，为CISC向RISC的过渡创造了条件。首先，RISC指令经过简化，因此不再需要微代码解释器。 RISC指令通常与微指令一样简单，硬件能够直接执行。其次，以前用于CISC 指令集的微代码解释器的快速存储器被重新用作RISC指令的高速缓存。第三，基于Gregory Chaitin的图着色方案的寄存器分配器，使编译器能够更简易、高效地使用寄存器，最后，摩尔定律意味着在20世纪80年代能够诞生有足够数量的晶体管的芯片，可以容纳一个完整的32位数据路径、指令集和数据高速缓存。
在今天的“后PC时代”，x86芯片的出货量自2011年达到峰值以来，每年下降近10％，而采用RISC处理器的芯片出货量则飙升至200亿。下图分别对其优点进行了分析，经过对比可以说比行业内的产品更优秀。
后PC时代的RISC
Apple公司在2007年推出了iPhone，开创了后PC时代。智能手机公司不再购买微处理器，而是使用其他公司的设计(包括ARM的RISC处理器)，在芯片上构建自己的系统(SoC)。在今天的后PC时代，x86的出货量自2011年达到峰值以来每年下降近10%，而采用RISC处理器的芯片的出货量则飙升至200亿。今天，99%的32位和64位处理器都是RISC。
处理器架构当前的挑战
大多数计算机架构师并不设计新的ISA，而是在当前的实现技术中实现现有的ISA。自20世纪70年代末以来，技术的选择一直是基于金属氧化物半导体(MOS)的集成电路，首先是n型金属氧化物半导体(nMOS)，然后是互补金属氧化物半导体(CMOS)。MOS技术惊人的改进速度(Gordon Moore的预测中已经提到这一点)已经成为驱动因素，使架构师能够设计更积极的方法来实现给定ISA的性能。摩尔在1965年26年的最初预测要求晶体管密度每年翻一番;1975年，他对其进行了修订，预计每两年翻一番。这最终被称为摩尔定律。由于晶体管密度呈二次增长，而速度呈线性增长，架构师们使用了更多的晶体管来提高性能。
计算机体系结构新机遇
“我们面前的一些令人叹为观止的机会被伪装成不可解决的问题。”
——John Gardner，1965年
领域特定结构(DAS)。一个更加以硬件为中心的方法，是设计针对特定问题域定制的体系结构，并为该领域提供显著的性能（和能效）增益，被称为DSA，是一种为特定领域可编程且通常是图灵完整的，但针对特定应用程序类别进行了定制。从这个意义上说，DSA与专用集成电路（ASIC）不同，后者通常用于单一功能，代码很少发生变化。DSA通常称为加速器，因为与在通用CPU上执行整个应用程序相比，它们只会加速某些应用程序。此外，DSA可以实现更好的性能，因为它们更贴近应用程序的需求；DSA的例子包括图形处理单元（GPU），用于深度学习的神经网络处理器和用于软件定义网络（SDN）的处理器。
DSA可以实现更好的性能和更高的能效，主要有以下四个原因：
首先也是最重要的一点，DSA利用了特定领域中更有效的并行形式；其次，DSA可以更高效地利用内存层次结构；第三，DSA可以适度使用较低的精度；最后，DSA受益于以领域特定语言（DSL）编写的目标程序。
领域特定语言
DSA要求将高级运算融入到体系结构里，但尝试从Python，Java，C或Fortran等通用语言中提取此类结构和信息实在太难了。领域特定语言（DSL）支持这一过程，并能有效地对DSA进行编程。例如，DSL可以使向量、密集矩阵和稀疏矩阵运算显式化，使DSL编译器能够有效地将将运算映射到处理器。常见的DSL包括矩阵运算语言Matlab，编程DNN的数据流语言TensorFlow，编程SDN的语言P4，以及用于指定高级变换的图像处理语言Halide。
使用DSL的难点在于如何保持足够的架构独立性，使得在DSL中编写的软件可以移植到不同的架构，同时还可以实现将软件映射到底层DSA的高效率。例如，XLA系统将Tensorflow编译到使用Nvidia GPU和张量处理器单元（TPU）的异构处理器。权衡DSA的可移植性以及效率是语言设计人员、编译器创建者和DSA架构师面临的一项有趣的研究挑战。
开放式架构
计算机体系结构中的第二个机遇是开源的ISA。要创建一个“面向处理器的Linux”，该领域需要行业标准的开源ISA，这样社区就可以创建开源内核(除了拥有专有内核的个别公司之外)。如果许多组织使用相同的ISA设计处理器，那么更大的竞争可能会推动更快的创新。目标是为芯片提供处理器，成本从几美分到100美元不等。
轻量级硬件开发
由Beck等人撰写的《轻量级软件开发》(The Manifesto for Agile Software Development，2011)彻底改变了软件开发方式，克服了瀑布式开发中传统的详细计划和文档的频繁失败。再次受到软件成功的启发，第三个机遇是轻量级硬件开发。对于架构师来说，好消息是现代电子计算机辅助设计(ECAD)工具提高了抽象级别，从而支持轻量级开发，而这种更高的抽象级别增加了设计之间的重用。
总结
“黎明前最黑暗。”
——托马斯·富勒，1650
为了从历史的教训中获益，架构师必须意识到软件创新也可以激发架构师的兴趣，提高硬件/软件界面的抽象层次可以带来创新机会。iAPX-432和Itanium说明了架构投资如何超过回报。
高级、特定于领域的语言和体系结构，将架构师从专有指令集的链中解放出来，以及公众对改进安全性的需求，将为计算机架构师带来一个新的黄金时代。
在开源生态系统的帮助下，轻量级开发的芯片将会令人信服，从而加速商业应用。这些芯片中通用处理器的ISA理念很可能是RISC，它经受住了时间的考验。可以期待与上一个黄金时代相同的快速改善，但这一次是在成本、能源、安全以及性能方面。